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近年来，我公司某系列变速箱销量逐渐增大，赢得了市场和客户的信赖。变速箱中的一种分速齿轮零件示意图见图1。该齿轮产品外径为φ153.59mm，总厚度为63.5mm，内孔直径为φ70mm。该零件整体形状特点：中间轮毂处厚度较大为60mm，轮缘处厚度较小为31.5mm，厚度相差较大有28.5mm，且具有减重槽，形状较为复杂。

此类零件因轮毂与轮缘厚度相差较大，根据经验，采用外圆定位的方式，镦粗后坯料厚度较薄，下模轮毂处充满困难。需采用较厚坯料，放置于中间位置，预锻时将材料由内孔处挤到外圆位置，才能保证下模轮毂处充满。但因其内孔及轮辐处均较窄，锻造时容易形成折叠，需用Deform有限元模拟软件对其成形过程进行模拟，寻找最优方案。

工艺设计

本零件采用三工位热模锻压力机成形，分为镦粗、预锻、终锻三工步。镦粗采用平镦粗成形，终锻模具是在热锻件图的基础上增加热胀量得出。在这三者之中，预锻工步的设计最为重要，难度最大。Deform模拟优化过程主要是对预锻工序方案进行模拟优化。

模拟与优化

先采用常规设计思路，预锻型腔与终锻相比，厚度加厚，直径减小，模具型腔与终锻型腔接近。设计的工步图如图2所示。

对此方案采用Deform有限元模拟软件进行模拟。模拟时发现，在轮缘上端面出现折叠趋势。图3为镦粗后坯料放入预锻型腔开始时的状态，图4为预锻模拟时出现折叠趋势的状态。为保证轮毂下模处充满，材料需由内孔处挤出。但此零件轮辐处较窄，材料流经此处时，从剖面上看，被挤成细长的形状，接触外圆后，又开始反向回流，与上模轮缘端面处接触时，形成折叠趋势。

要消除折叠趋势，上模轮辐处的厚度需要加大，坯料在此处不能被挤压的过薄。其轮缘处所需的材料应能保证一定的厚度，要避免流经轮辐时被挤薄，碰到轮缘处又镦粗的现象。

图1 中间轴分速齿轮零件示意图

图2 预锻工步图

图3 镦粗后坯料放入预锻型腔时的状态

图4 预锻金属流动出现折叠趋势

图5 新预锻工步图

图6 镦粗后坯料放入预锻型腔时的状态

图7 预锻模拟到指定步骤的状态

图8 预锻后坯料放入终锻型腔的状态

图9 终锻金属流动的中间过程状态

图10 终锻金属最终充满型腔状态

图11 锻件上端面

图12 锻件下端面

根据此思路，对预锻工步进行优化。新设计的预锻工步图见图5。与原方案相比，取消上模轮辐处凸台，并将此处增加一个角度，当材料由内孔挤出后，顺着料流动的趋势及模具角度，将其向下压弯，保证料的厚度不会有太大变化，在碰上外模壁后镦粗时，不会出现折叠的趋势。上模轮毂处通过反挤充满型腔。

再次利用Deform有限元模拟软件，对新方案进行模拟，验证设计思路。图6为镦粗后坯料放入预锻型腔的状态，图7为预锻时金属流动到预期步骤时的状态。从图7中可以看出，该预锻型腔方案，金属在流动时并没有出现折叠的趋势，从而为终锻做好分料准备。

图8为预锻件开始放入终锻型腔的状态，可以看出预锻件在终锻型腔中能够有良好的定位，图9为金属在终锻型腔中模拟流动的中间状态。在上模压下时，上模轮辐处，坯料一部分材料向外流动，充满轮缘，一部分材料向上模轮毂处反挤，充满上模轮毂。金属流动顺利，没有出现折叠的趋势。图10为金属最终在终锻型腔中充满的状态，可以看出，充满性良好，不存在未充满的部位及折叠趋势。

通过以上两种方案的Deform模拟对比，选择第二种方案进行模具设计及加工。

生产验证

采用第二种预锻方案（图5所示新预锻工步图）设计和生产分速齿轮的锻件模具并锻造验证。坯料经过镦粗、预锻、终锻、冲孔，最终得到锻件毛坯见图11、图12。 从图11和图12可以看到，锻件充满良好，没有折叠缺陷。预、终锻工步锻件的形状均与模拟的结果一致。

结束语

针对某中间轴分速齿轮零件，设计锻造方案，借助Deform有限元模拟软件，通过不断的模拟、分析、优化方案，找出最佳设计方案，可以使设计过程更加的准确，缩短试制时间，并降低开发成本。

作者简介

张铁锁，锻造工艺室主任，主要从事锻造工艺及模具设计工作。参与完成法士特“锻造一期”、“锻造二期”扩能技改项目，主持完成“同步器钢齿环精锻”、“锻造三期”扩能技改项目、模具车间扩能技改项目。